有孔板の引張試験におけるマルチロゼットひずみ計測

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(1)I‑010. 土木学会西部支部研究発表会 (2012.3). 有孔板の引張試験におけるマルチロゼットひずみ計測長崎大学学生会員 ○森﨑雅俊福岡県非会員内野正和はじめに光学的全視野計測法の一つにデジタル画像相関法（以下 DICM）がある．DICM は，測定対象物の変形前後の画像をデジタルカメラ等で計測し，その画像を数値解析することで，測定対象物の変位・ひずみやその方向を求めることができる手法である．筆者らは，数年前から DICM を用いた各種研究を行っており，撮影条件や解析条件の影響により計測値にバラツキが生じることを確認している．さらに，そのバラツキを軽減させるため，ロゼット解析を複数回行い，平均化することで計測精度が向上できるマルチロゼット解析手法を開発している 1)．ここでは、2 台のカメラを用いたステレオ計測による 3 次元マルチロゼット解析の計測精度検証結果について述べる． 2. マルチロゼット解析概要 DICM は測定対象物表面模様のランダム性を基にして，測定対象物の変形前後のデジタル画像の輝度値分布から測定対象物表面の変位量と変位方向を求める手法である． DICM によりひずみを求める方法として 2 点間の距離変化を利用する方法がある．これは，ひずみを求める位置を中心として，ある画素数だけ離れた 2 点の変形前後の変位量と方向を求め，2 点間の長さの変化からひずみを求める非常にシンプルな解析法である．任意に解析点の距離（ゲージ長に対応）を変えることができる特徴を持つ．しかしながらこの方法ではひずみ量が小さい場合，解析値がばらつくという傾向を示す．そのため円孔の応力集中部のような微小領域のひずみ計測では解析誤差が大きくなり有効な方法ではない．しかしながら応力集中の評価法として，DICM を用いて円孔の中心点から点対称となる 2 点間の距離変化率を利用する手法では，2 点間距離を大きくとることができ，誤差が小さくなる．以下に解析手順を示す． ① 図 1 に示すように円孔の中心から同心円状に解析点を配置する．例えば図 1 では 64 点（64 分割）配置している． ② 円孔中心から点対称になる 2 個の解析点を利用して変形前後の距離変化率を求める．この場合，32 個の計算結果が得られる． ③ ②で求めた距離変化率の中で，x 軸から 0°，45°，90° の角度に位置する組み合わせを用いてロゼット解析を行い、最大と最小の距離変化率を求める． ④ ③の組み合わせ方を変えてロゼット解析を複数回行う． ⑤ 組み合わせの総数は 32 通りあり，平均化してバラツキを少なくし，最大と最小の距離変化率を求める．. 長崎大学正会員出水享長崎大学正会員松田浩. 1.. 図 1 解析点. 図 2 試験体概要. 写真 1 円孔付近拡大図. 試験体. LED ライト. LED ライト. CCD カメラ. CCD カメラ. 写真 2 計測状況. ‑19‑.

(2) I‑010. 土木学会西部支部研究発表会 (2012.3). 試験概要試験体概要を図 2 に示す．本試験では，写真 1 のように直径 15mm の円孔を有する板厚 2.3mm の鋼板で，引張り試験を行った．DICM で計測のため，試験体の表面に白色のスプレーで下地を塗布し，次に下地の上から黒色のスプレーでランダムパターンを塗布した．また有孔板との比較のため，試験片の寸法は同じで円孔を有しない試験片を用いて，有孔板と同じ荷重条件で引張載荷を行った．載荷は荷重制御とし，荷重を 3.71kN，6.86kN となるように載荷し，その後，荷重を一定に保った．DICM の撮影に関しては，2 台の CCD カメラを用いた．2 台のカメラの中心から約 575mm の距離から撮影を行い，シャッター速度は 25ms とした．この条件下では，撮影解像度(mm/pixel)は約 0.032 mm/pixelとなるため、例えば5mmゲージは、約156pixel で構成されることになる．また，試験体表面の明るさを一定に保つため，LED ライトを 2 つ使用した．計測状況を写真 2 に示す．計測は、各荷重においてカメラで 50 枚ずつ計測を行い，各荷重の画像に加算平均処理を行った．加算平均処理を行うことで，ひずみの計測精度が向上することが確認されているためである 2)．加算平均後の画像を用いてマルチロゼット解析によりひずみを算出した．マルチロゼット解析の結果と比較するために FEM を行った．FEM に使用した材料パラメ－ターは、事前に試験で求めた弾性係数 200GPa，ポアソン比 0.3 とした． 4. 試験結果マルチロゼット解析及び FEM により得られた結果を図 3、図 4 に示す．図 3(a)より，最大主ひずみは円孔近傍で最大約 60μの誤差が見られ，それ以外の区間の誤差は約 20μであった．最小主ひずみは，円孔近傍で約 40μの誤差が見られ，それ以外の区間では誤差はほとんど見られなかった．図 3(b)より，誤差は見られずほぼ 0°となった．図 4(a)より，最大主ひずみは円孔近傍で約 50μの誤差が見られ，それ以外の区間の誤差は約 30μであった．最小主ひずみは円孔近傍で約 30μの誤差が見られ，それ以外の区間では誤差はほとんど見られなかった．図 4(b)より，誤差は見られずほぼ 0°となった．また，図 3(a)と図 4(a)のどちらも，円孔近傍の最大主ひずみは円孔を有しない場合の最大主ひずみの約 3 倍の値となった．図 3(b)，図 4(b)より，均等に載荷されていることが確認できる．以上より，マルチロゼット解析の値と，FEM の値がほぼ一致したことから，応力勾配のある区間や，低ひずみ域においてもマルチロゼット解析は精度よくひずみを計測できることが確認できた． 5. まとめ・マルチロゼット解析は精度よくひずみ計測ができることが確認された．・マルチロゼット解析は低ひずみ域においても精度よくひずみを計測できることが確認された． 3.. 図 3(a) 3.71kN 載荷時の最大・最小主ひずみ. 図 3(b) 3.71kN 時の最大主ひずみ方向の角度. 図 4(a) 6.86kN 時の最大・最小主ひずみ. 図 4(b) 6.86kN 時の最大主ひずみ方向の角度 6. 参考文献 1) 内野正和，岡本卓慈，伊藤幸広，松田浩，デジタル画像相関法を用いたマルチロゼット解析法の検討，日本実験力学会講演論文集，Vol8，pp134-137，2008 2) 出水享，板井達志，藤野義裕，山下務，松田浩，撮影・解析条件がデジタル画像相関法のひずみ計測精度に及ぼす影響，長崎大学工学部研究報告，41(77)， pp.45-52;2011.7. ‑20‑.

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